《环境工程微生物学》课程教学资源（微生物学教案）微生物的新陈代谢.doc_大学文库

Chapter6微生物的新陈代谢新陈代谢简称代谢，是推动生物一切生命活动的动力源，通常泛指发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。分解代谢又称异化作用，是指复杂的有机分子通过分解代谢酶系的催化产生简单分子、能量（一般以腺苷三磷酸即ATP形式存在）和还原力（或称还原当量，一般以[H来表示)的作用；合成代谢又称同化作用，它与分解代谢正好相反，是指在合成酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和[H形式的还原力一起，共同合成复杂的生物大分子的过程。两者间的关系为：复杂分子分解代谢酶系简单分子+ATP+［H]（有机物）合成代谢酶系一切生物的新陈代谢本质上既存在着高度的统一性，又存在着明显的多样性。第一节微生物的能量代谢由于一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢就成了新陈代谢中的核心问题。研究能量代谢的根本目的，是要追踪生物体如何把外界环境中多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能利用的通用能源一一ATP的。微生物可利用的能源包括有机物、日光辐射能和还原态无机物三大类，因此，研究其能量代谢机制，实质上就是追踪这三大类最初能源是如何一步步地转化并释放出ATP的具体生化反应过程，即：化能异养菌有机物→→→+→光能营养菌最初能源日光→→→*→→→→+通用能源（ATP）化能自养菌还原态无机物-→→→·一、化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。生物氧化与燃烧有看若干相同点和不同点，相同点是两者都是通过底物的氧化反应而释放其中的化学潜能，不同点很多，包括反应式、步骤、条件、催化剂、产能形式和能量利用率等。概括地说，生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢和失去电子3种：生物氧化的过程可分脱氢(或电子)、递氢(或电子)和受氢(或电子）3个阶段：生物氧化的功能有产能(ATP)、产还原力H和产小分子中间代谢物3种；生物氧化的类型则包括了呼吸、无氧呼吸和发酵3种：（一）底物脱氢的4条途径1.EMP途径：又称糖酵解途径或已糖二磷酸途径，是绝大多数生物所共有的一条主流代谢途径。它以1分子葡萄糖为底物，约经10步反应而产生2分子丙酮酸、2分子NADH+H+，2分子ATP的过程。因此，EMP途径可概括为两个阶段(耗能和产能)、3种产物和10个反应（图5-1)。1

1 Chapter 6 微生物的新陈代谢新陈代谢简称代谢，是推动生物一切生命活动的动力源，通常泛指发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。分解代谢又称异化作用，是指复杂的有机分子通过分解代谢酶系的催化产生简单分子、能量(一般以腺苷三磷酸即 ATP 形式存在)和还原力(或称还原当量，一般以[H]来表示)的作用；合成代谢又称同化作用，它与分解代谢正好相反，是指在合成酶系的催化下，由简单小分子、ATP 形式的能量和[H]形式的还原力一起，共同合成复杂的生物大分子的过程。两者间的关系为：一切生物的新陈代谢本质上既存在着高度的统一性，又存在着明显的多样性。第一节微生物的能量代谢由于一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢就成了新陈代谢中的核心问题。研究能量代谢的根本目的，是要追踪生物体如何把外界环境中多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能利用的通用能源——ATP 的。微生物可利用的能源包括有机物、日光辐射能和还原态无机物三大类，因此，研究其能量代谢机制，实质上就是追踪这三大类最初能源是如何一步步地转化并释放出 ATP 的具体生化反应过程，即：一、化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。生物氧化与燃烧有看若干相同点和不同点，相同点是两者都是通过底物的氧化反应而释放其中的化学潜能，不同点很多，包括反应式、步骤、条件、催化剂、产能形式和能量利用率等。概括地说，生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢和失去电子 3 种；生物氧化的过程可分脱氢(或电子)、递氢(或电子)和受氢(或电子)3 个阶段；生物氧化的功能有产能(ATP)、产还原力[H]和产小分子中间代谢物 3 种；生物氧化的类型则包括了呼吸、无氧呼吸和发酵 3 种：（一）底物脱氢的 4 条途径 1．EMP 途径：又称糖酵解途径或己糖二磷酸途径，是绝大多数生物所共有的一条主流代谢途径。它以 1 分子葡萄糖为底物，约经 10 步反应而产生 2 分子丙酮酸、2 分子 NADH+H+， 2 分子 ATP 的过程。因此，EMP 途径可概括为两个阶段(耗能和产能)、3 种产物和 10 个反应（图 5-1）

耗能阶段产能阶段2NADH+H2丙酮酸-4ATP2ATP2ATP4EMP途径的总反应式为：CH12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H20其中，2NADH+H+在有氧条件下可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP，而在无氧条件下，则可把丙酮酸还原成乳酸，或把丙酮酸的脱羧产物一一乙醛还原成乙醇。EMP途径是多种微生物所具有的代谢途径，其产能效率虽低，但生理功能极其重要：①供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力：②是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环(TCA）、HMP途径和ED途径等：③为生物合成提供多种中间代谢物：④通过逆向反应可进行多糖合成。2.HMP途径：又称已糖一磷酸途径、已糖一磷酸支路、戊糖磷酸途径、磷酸葡萄糖酸途径或WD途径。特点是葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力以及多种重要中间代谢产物。总反应如图5-2：+经呼吸链ATP36ATP→35ATP12NADPH+H*经一系列复杂反应后sc6C66C.重新合成已糖6c0HMP途径的总反应式为：6葡糖-6-磷酸+12NADP++6H2O→5葡糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+PiHMP途径可概括为3个阶段：①葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2：②核酮糖-5-磷酸发生结构变化形成核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸：③几种戊糖磷酸在无氧参与的条件下发生碳架重排，产生了已糖磷酸和丙糖磷酸，后者既可通过EMP途径转化成丙酮酸而进入TCA循环进行彻底氧化，也可通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为已糖磷酸。HMP途径在微生物生命活动中意义重大：①供应合成原料：②产还原力：③作为固定CO2的中介：扩大碳源利用范围（C3-C7）：③连接EMP途径。3.ED途径：又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径。是存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有。特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步反应才能形成的丙酮酸。总反应式为：CH12O6+ADP+Pi+NADP++NAD+-2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H++NADH+HED途径的特点是：①具有一特征性反应一一KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛：②存在一特征性酶一-KDPG醛缩酶：③其终产物2分子丙酮酸的来历不同，其一由KDPG直接裂解形成，另一则由3-磷酸甘油醛经EMP途径转化而来；④产能效率低。ED途径产生的丙酮酸可被微好氧菌脱羧成乙醛，乙醛又可进一步被NADH还原为乙醇。这种经ED途径发酵生产乙醇的方法称为细菌酒精发酵，它与酵母菌通过EMP途径形成乙醇的机制不同，与酵母酒精发酵相比有较多的优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体2

2 EMP 途径的总反应式为： C6H12O6+2NAD+ +2ADP +2Pi → 2CH3COCOOH + 2NADH +2H+ + 2ATP + 2H2O 其中，2NADH+H+ 在有氧条件下可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生 6ATP，而在无氧条件下，则可把丙酮酸还原成乳酸，或把丙酮酸的脱羧产物——乙醛还原成乙醇。 EMP 途径是多种微生物所具有的代谢途径，其产能效率虽低，但生理功能极其重要： ①供应 ATP 形式的能量和 NADH2 形式的还原力；②是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环(TCA)、HMP 途径和 ED 途径等；③为生物合成提供多种中间代谢物；④通过逆向反应可进行多糖合成。 2．HMP 途径：又称己糖一磷酸途径、已糖一磷酸支路、戊糖磷酸途径、磷酸葡萄糖酸途径或 WD 途径。特点是葡萄糖不经 EMP 途径和 TCA 循环而得到彻底氧化，并能产生大量 NADPH+H+ 形式的还原力以及多种重要中间代谢产物。总反应如图 5-2： HMP 途径的总反应式为： 6 葡糖-6-磷酸+12NADP+ +6H2O→ 5 葡糖-6-磷酸+12NADPH+12H+ +6CO2+ Pi HMP 途径可概括为 3 个阶段：①葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和 CO2；②核酮糖-5-磷酸发生结构变化形成核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；③几种戊糖磷酸在无氧参与的条件下发生碳架重排，产生了已糖磷酸和丙糖磷酸，后者既可通过 EMP 途径转化成丙酮酸而进入 TCA 循环进行彻底氧化，也可通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸。 HMP 途径在微生物生命活动中意义重大：①供应合成原料；②产还原力；③作为固定 CO2 的中介；④扩大碳源利用范围（C3-C7）；⑤连接 EMP 途径。 3．ED 途径：又称 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径。是存在于某些缺乏完整 EMP 途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有。特点是葡萄糖只经过 4 步反应即可快速获得由 EMP 途径须经 10 步反应才能形成的丙酮酸。总反应式为： C6H12O6 + ADP+ Pi + NADP+ + NAD+→2CH3COCOOH + ATP + NADPH +H++NADH + H+ ED 途径的特点是：①具有一特征性反应——KDPG 裂解为丙酮酸和 3-磷酸甘油醛；② 存在一特征性酶——KDPG 醛缩酶；③其终产物 2 分子丙酮酸的来历不同，其一由 KDPG 直接裂解形成，另一则由 3-磷酸甘油醛经 EMP 途径转化而来；④产能效率低。 ED 途径产生的丙酮酸可被微好氧菌脱羧成乙醛，乙醛又可进一步被 NADH2 还原为乙醇。这种经 ED 途径发酵生产乙醇的方法称为细菌酒精发酵，它与酵母菌通过 EMP 途径形成乙醇的机制不同，与酵母酒精发酵相比有较多的优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体

生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧等。缺点是：生长PH较高，较易染杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低。4.TCA循环：即三羧酸循环，又称Krebs循环或柠檬酸循环，是指由内酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧，形成CO2，H2O和NADH2的过程。在真核微生物中，TCA循环的反应在线粒体内进行，大多数酶定位于线粒体的基质中：在原核生物中，大多数酶位于细胞质内。琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或原核细胞中都是结合在膜上的。TCA循环起始于2C化合物乙酰-CoA与4C化合物草酰乙酸间的缩合。但从产能的角度来看，通常都把内酮酸进入TCA循环前的脱羧作用所产生的NADH+H+也计入，若每个丙酮酸分子经本循环彻底氧化并与呼吸链的氧化磷酸化相偶联，就可高效地产生15个ATP分子，其中底物水一个GTP，氧化磷酸化水平14个。TCA循环共分10步：3C化合物丙酮酸脱羧后，形成NADH+H+，并产生2C化合物乙酰-CoA，后者与4C化合物草酰乙酸缩合形成6C化合物柠檬酸。通过一系列氧化和转化反应，6C化合物经过5C化合物阶段又重新回到4C化合物一一草酰乙酸，再由它接受来自下一个循环的乙酰-CoA分子。整个TcA循环的总反应式为：丙酮酸+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4（NADH+H+）+FADH2+GTP若认为TcA循环起始于乙酰一C。A*则总反应式为：Z酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O-+2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+GTP+CoATCA循环的特点：①氧虽不直接参与其中反应.但必须在有氧条件下运转（因NAD+和FAD再生时需氧)：②每分子丙酮酸可产4个NADH+H+、1个FADH2和1个GTP，总共相当于15个ATP，因此产能效率极高：③TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，不仅可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，而且还与人类的发酵生产（如柠檬酸、苹果酸、谷氨酸、延胡索酸和琥珀酸等)紧密相关。表5-1葡萄糖经不同脱氧途径后的产能效率产能形式EMPHMP EDEMP+TCA底物212ATP水平1GTP2 (2ATP)1NADH+ H*2 (6ATP)2+8(30ATP)NADPH+H12(36ATP)1FADH22 (4ATP)净产ATP7ATP36-38ATP**8ATP35ATP**葡萄糖变为6-磷酸葡萄糖时消耗掉一个ATP。**原核生物呼吸链在细胞膜上产生38ATP：真核生物的呼吸链在线粒体膜上，NADH+H*进入线粒体时消耗掉2ATP。（二）递氢和受氢贮存在生物体内葡萄糖等有机物中的化学潜能，经以上4条途径脱氢后，通过呼吸链（或称电子传递链）等方式传递，最终可与氧、无机或有机氧化物等氢受体相结合而释放出其中的能量。根据递氢特点尤其是受氢体性质府同，可把生物氧化区分为呼吸、无氧呼吸和发酵3种类型图5-3。3

3 生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧等。缺点是：生长 PH 较高，较易染杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低。 4．TCA 循环：即三羧酸循环，又称 Krebs 循环或柠檬酸循环，是指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧，形成 CO2，H2O 和 NADH2 的过程。在真核微生物中，TCA 循环的反应在线粒体内进行，大多数酶定位于线粒体的基质中；在原核生物中，大多数酶位于细胞质内。琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或原核细胞中都是结合在膜上的。 TCA 循环起始于 2C 化合物乙酰-CoA 与 4C 化合物草酰乙酸间的缩合。但从产能的角度来看，通常都把丙酮酸进入 TCA 循环前的脱羧作用所产生的 NADH+H+ 也计入，若每个丙酮酸分子经本循环彻底氧化并与呼吸链的氧化磷酸化相偶联，就可高效地产生 15 个 ATP 分子，其中底物水一个 GTP，氧化磷酸化水平 14 个。 TCA 循环共分 10 步：3C 化合物丙酮酸脱羧后，形成 NADH+H+，并产生 2C 化合物乙酰-CoA，后者与 4C 化合物草酰乙酸缩合形成 6C 化合物柠檬酸。通过一系列氧化和转化反应，6C 化合物经过 5C 化合物阶段又重新回到 4C 化合物——草酰乙酸，再由它接受来自下一个循环的乙酰-CoA 分子。整个 TcA 循环的总反应式为：丙酮酸 + 4NAD+ + FAD + GDP + Pi + 3H2O → 3CO2 + 4（NADH+H+）+ FADH2 + GTP 若认为 TcA 循环起始于乙酰—c。A*则总反应式为：乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2 +3(NADH+H+ )+FADH2 +GTP+CoA TCA 循环的特点：①氧虽不直接参与其中反应．但必须在有氧条件下运转(因 NAD+和 FAD 再生时需氧)；②每分子丙酮酸可产 4 个 NADH+H+、1 个 FADH2 和 1 个 GTP，总共相当于 15 个 ATP，因此产能效率极高；③TCA 位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，不仅可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，而且还与人类的发酵生产(如柠檬酸、苹果酸、谷氨酸、延胡索酸和琥珀酸等)紧密相关。表 5-1 葡萄糖经不同脱氧途径后的产能效率产能形式 EMP HMP ED EMP+TCA 底物水平 ATP 2 1 2 GTP 2（2ATP） NADH+ H+ 2（6ATP） 1 2+8（30ATP） NADPH+ H+ 12（36ATP） 1 FADH2 2（4ATP）净产 ATP 8ATP 35ATP* 7ATP 36-38ATP** *葡萄糖变为 6-磷酸葡萄糖时消耗掉一个 ATP。**原核生物呼吸链在细胞膜上产生 38ATP；真核生物的呼吸链在线粒体膜上，NADH+ H+进入线粒体时消耗掉 2ATP。（二）递氢和受氢贮存在生物体内葡萄糖等有机物中的化学潜能，经以上 4 条途径脱氢后，通过呼吸链(或称电子传递链)等方式传递，最终可与氧、无机或有机氧化物等氢受体相结合而释放出其中的能量。根据递氢特点尤其是受氢体性质府同，可把生物氧化区分为呼吸、无氧呼吸和发酵 3 种类型图 5-3

C,H120g经呼吸链①呼吸- [H]AH,O②无氧 [H)-NOy, SO,CO2中[H]呼吸BNO,,SO,CH4[H)-发酵:A.B或CAH,,BH,或CH,[H}（发酵产物：乙醇、乳酸等）Co脱氢递氢受氢图5-3呼吸、无氧呼吸和发酵示意图1.呼吸又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是底物按常规方式脱氢后，脱下的氢(常以还原力[H])形式存在)经完整的呼吸链（RC)又称电子传递链(ETC)传递，最终被外源分子氧接受，产生水并释放出ATP形式的能量。这是一种递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的生物氧化作用，是一种高效产能方式。呼吸链是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的、由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢（或电子)传递体，其功能是把氢或电子从低氧化还原势的化合物逐级传递到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应相偶联，造成一个跨膜质子动势，进而推动了ATP的合成。组成呼吸链中传递氢或电子载体的物质，除醒类是非蛋白质类和铁硫蛋白不是酶外，其余都是一些含有辅酶或辅基的酶，其中的辅酶如NAD+或NADP+，辅基如FAD、FMN和血红素等。呼吸诱在真核生物和原核生物中的主要组分类似，氢或电子的传递顺序一般为：NAD(P)→FP(黄素蛋白）→Fe.S（铁硫蛋白）→+CoQ（辅酶Q）→+Cytb→Cytc→+Cyta-→Cyta3氧化磷酸化又称电子传递链磷酸化，是指呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。递氢、受氢即氧化过程造成了跨膜的质子梯度差即质子动势，进而质子动势再推动ATP酶合成ATP。氧化磷酸化形成ATP的机制目前普遍认同理论是化学渗透学说。该学说认为，在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链有关酶系的作用，可将底物分子上的质子从膜的内侧传递到膜的外侧，从而造成了膜两侧质子分布不均匀，此即质子动势（质子动力，pH梯度）4uH+的由来，也是合成ATP的能量来源。通过ATP酶的逆反应可把质子从膜的外侧重新输回到膜的内侧，于是在消除质子动势的同时合成了ATP。ATP合成酶合成ATP的构象假说或旋转催化假说：ATP合成酶由基部(埋于线粒体内膜)、头部（伸向膜内）和颈部（头部与基部相连处）3部分组成。头部为ATP合成酶的催化中心，它有3个催化亚基(B亚基)。3个β亚基存在3种构象变化：一种有利于ADP与Pi结合，另一种使结合的ADP与Pi合成ATP，第三种则可使ATP释放。这3种亚基在跨膜质子梯度即H+流的推动下，通过转动、构象交替变化，不断合成ATP。因此ATP合成酶就是一架精巧的分子水轮机，其3个β亚基即为3个水轮叶片。在典型的呼吸链中，只有3处能提供合成ATP所需的足够能量。2.无氧呼吸4

4 图 5-3 呼吸、无氧呼吸和发酵示意图 1．呼吸又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是底物按常规方式脱氢后，脱下的氢(常以还原力[H]形式存在)经完整的呼吸链（RC）又称电子传递链(ETC) 传递，最终被外源分子氧接受，产生水并释放出 ATP 形式的能量。这是一种递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的生物氧化作用，是一种高效产能方式。呼吸链是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的、由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢(或电子)传递体，其功能是把氢或电子从低氧化还原势的化合物逐级传递到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应相偶联，造成一个跨膜质子动势，进而推动了 ATP 的合成。组成呼吸链中传递氢或电子载体的物质，除醌类是非蛋白质类和铁硫蛋白不是酶外，其余都是一些含有辅酶或辅基的酶，其中的辅酶如 NAD+或 NADP+，辅基如 FAD、FMN 和血红素等。呼吸诱在真核生物和原核生物中的主要组分类似，氢或电子的传递顺序一般为： NAD(P)→FP(黄素蛋白) →Fe.S (铁硫蛋白) →CoQ(辅酶 Q) →Cytb→Cytc→Cyta→Cyta3 氧化磷酸化又称电子传递链磷酸化，是指呼吸链的递氢(或电子)和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生 ATP 的作用。递氢、受氢即氧化过程造成了跨膜的质子梯度差即质子动势，进而质子动势再推动 ATP 酶合成 ATP。氧化磷酸化形成 ATP 的机制目前普遍认同理论是化学渗透学说。该学说认为，在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链有关酶系的作用，可将底物分子上的质子从膜的内侧传递到膜的外侧，从而造成了膜两侧质子分布不均匀，此即质子动势 (质子动力，pH 梯度)⊿µH+的由来，也是合成 ATP 的能量来源。通过 ATP 酶的逆反应可把质子从膜的外侧重新输回到膜的内侧，于是在消除质子动势的同时合成了 ATP。 ATP 合成酶合成 ATP 的构象假说或旋转催化假说：ATP 合成酶由基部(埋于线粒体内膜)、头部(伸向膜内)和颈部(头部与基部相连处)3 部分组成。头部为 ATP 合成酶的催化中心，它有 3 个催化亚基(β 亚基)。3 个 β 亚基存在 3 种构象变化：一种有利于 ADP 与 Pi 结合，另一种使结合的 ADP 与 Pi 合成 ATP，第三种则可使 ATP 释放。这 3 种亚基在跨膜质子梯度即 H+流的推动下，通过转动、构象交替变化，不断合成 ATP。因此 ATP 合成酶就是一架精巧的分子水轮机，其 3 个 β 亚基即为 3 个水轮叶片。在典型的呼吸链中，只有 3 处能提供合成 ATP 所需的足够能量。 2．无氧呼吸

又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸。其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。根据氢受体的不同，无氧呼吸分成以下几种：（1）硝酸盐呼吸：又称反硝化作用。硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能：其一是在有氧或无氧条件下所进行的利用硝酸盐作为氮源营养物，称为同化性硝酸盐还原作用：其二是在无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，把它还原成亚硝酸、NO、N2O直至N2的过程，称为异化性硝酸盐还原作用，又称硝酸盐呼吸或反硝化作用。这两个还原过程的共同特点是硝酸盐都要通过一种含钼的硝酸盐还原酶将其还原为亚硝酸盐。（2）硫酸盐呼吸：是一类称作硫酸盐还原细菌（或反硫化细菌）的严格厌氧菌在无氧条件下获取能量的方式，其特点是底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由未端氢受体硫酸盐受氢在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联而获得ATP。硫酸盐呼吸的最终还原产物是H2S。（3）硫呼吸：以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生H2S的生物氧化作用。（4）铁呼吸：呼吸链末端的氢受体是Fe3+。（5）碳酸盐呼吸：是一类以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。包括产甲烷和产乙酸两类碳酸盐呼吸（6）延胡索酸呼吸：延胡索酸是末端氢受体，琥珀酸是其还原产物。3.发酵广义概念：泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物来生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。狭义发酵概念，指在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力[H未经呼吸链传递而直接交某内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。(1)由EMP途径中丙酮酸出发的发酵：丙酮酸是EMP途径的关键产物，由它出发，在不同微生物中可进入不同发酵途径，例如：同型酒精发酵，同型乳酸发酵，丙酸发酵，混合酸发酵，2，3丁二醇发酵，丁酸型发酵等。此外，发酵中的某些独特代谢产物还是鉴定相应菌种时的重要生化指标。如，V.P.试验是利用上述E.aerogenes能产生3-羟基丁酮(乙酰甲基甲醇)的原理，因为它在碱性条件下可被氧化成二乙酰，若用有胍基的精氨酸与二乙酞反应.就可产生特征性的红色反应(即V.P阳性)，而与其近缘的E.coli(VP阴性)区别开来。(2)通过HMP途径的发酵一异型乳酸发酵：凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和CO2等多种产物的发酵，称异型乳酸发酵。细分为两条发酵途径。①异型乳酸发酵的“经典”途径：在利用葡萄糖时，发酵产物为乳酸、乙醇和CO2，并产生1H2O和1ATP：利用核糖时的产物为乳酸、乙酸、2H2O和2ATP：而利用果糖时则为乳酸、乙酸、CO2和甘露醇。②异型乳酸发酵的双歧杆菌途径：双歧杆菌通过HMP发酵葡萄糖的新途径。特点是2分子葡萄糖可产3分子乙酸、2分子乳酸和5分子ATP。(3)通过ED途径进行的发酵：细菌酒精发酵。(4)由氨基酸发酵产能一Stickland反应：少数厌氧梭菌能利用一些氨基酸兼作碳源、氮源和能源，其产能机制是通过部分氨基酸（如丙氨酸等)的氧化与一些氨基酸（如甘氨酸等）的还原相偶联的独特发酵方式。这种以一种氨基酸作底物脱氢（即氢供体），而以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型，称为Stickland反应。此反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP。5

5 又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物(少数为有机氧化物)的生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸。其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。根据氢受体的不同，无氧呼吸分成以下几种：（1）硝酸盐呼吸：又称反硝化作用。硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能：其一是在有氧或无氧条件下所进行的利用硝酸盐作为氮源营养物，称为同化性硝酸盐还原作用；其二是在无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，把它还原成亚硝酸、NO、N2O 直至 N2 的过程，称为异化性硝酸盐还原作用，又称硝酸盐呼吸或反硝化作用。这两个还原过程的共同特点是硝酸盐都要通过一种含钼的硝酸盐还原酶将其还原为亚硝酸盐。（2）硫酸盐呼吸：是一类称作硫酸盐还原细菌(或反硫化细菌)的严格厌氧菌在无氧条件下获取能量的方式，其特点是底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联而获得 ATP。硫酸盐呼吸的最终还原产物是 H2S。（3）硫呼吸：以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生 H2S 的生物氧化作用。（4）铁呼吸：呼吸链末端的氢受体是 Fe3+。（5）碳酸盐呼吸：是一类以 CO2 或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。包括产甲烷和产乙酸两类碳酸盐呼吸（6）延胡索酸呼吸：延胡索酸是末端氢受体，琥珀酸是其还原产物。 3．发酵广义概念：泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物来生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。狭义发酵概念，指在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力 [H]未经呼吸链传递而直接交某内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。 (1)由 EMP 途径中丙酮酸出发的发酵：丙酮酸是 EMP 途径的关键产物，由它出发，在不同微生物中可进入不同发酵途径，例如：同型酒精发酵，同型乳酸发酵，丙酸发酵，混合酸发酵，2，3-丁二醇发酵，丁酸型发酵等。此外，发酵中的某些独特代谢产物还是鉴定相应菌种时的重要生化指标。如，V．P．试验是利用上述 E.aerogenes 能产生 3-羟基丁酮(乙酰甲基甲醇)的原理，因为它在碱性条件下可被氧化成二乙酰，若用有胍基的精氨酸与二乙酞反应．就可产生特征性的红色反应(即 V.P 阳性)，而与其近缘的 E.coli(V.P 阴性)区别开来。 (2)通过 HMP 途径的发酵——异型乳酸发酵：凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和 CO2 等多种产物的发酵，称异型乳酸发酵。细分为两条发酵途径。 ①异型乳酸发酵的“经典”途径：在利用葡萄糖时，发酵产物为乳酸、乙醇和 CO2，并产生 1H2O 和 1ATP；利用核糖时的产物为乳酸、乙酸、2H2O 和 2ATP；而利用果糖时则为乳酸、乙酸、CO2 和甘露醇。 ②异型乳酸发酵的双歧杆菌途径：双歧杆菌通过 HMP 发酵葡萄糖的新途径。特点是 2 分子葡萄糖可产 3 分子乙酸、2 分子乳酸和 5 分子 ATP。 (3)通过 ED 途径进行的发酵：细菌酒精发酵。 (4)由氨基酸发酵产能——Stickland 反应：少数厌氧梭菌能利用一些氨基酸兼作碳源、氮源和能源，其产能机制是通过部分氨基酸(如丙氨酸等)的氧化与一些氨基酸(如甘氨酸等) 的还原相偶联的独特发酵方式。这种以一种氨基酸作底物脱氢(即氢供体)，而以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型，称为 Stickland 反应。此反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅产 1 个 ATP

机底物不仅可作为最初能源产生ATP，而且其中有些底物（如NH+、H2S和H）还可作为无机氢供体。当这些无机氢在充分提供ATP能量的条件下，可通过逆呼吸链传递的方式形成还原CO2用的还原力[H]。CO2NH,顺呼吸链传递一ATPNO2氧作为最初能源：（耗[HI产ATP）1化H,S碳1so固逆呼吸链传递HzNAD(P)H定部分作为无机氢供体：（耗ATP产HJ）fe[CH,O]图5-4化能自养微生物还原CO2时ATP和[H的来源所有还原态无机物中，除了H2的氧化还原电位比NAD+/NADH对稍低些外，其余都明显高于它，因此，各种无机底物进行氧化时，都必须按其相应的氧化还原势的位置进入呼吸链(图5-5)，由此必然造成化能自养微生物呼吸链只具有很低的氧化磷酸化效率(P/O比)。NO2So, SO, s'Fe2*H2NH, s-HSN+tNAD -FP.Q-Cyt.ce,Cyt-aaayO2(NO)Cyt-b+++ATPATPATP图5-5无机底物脱氢后，氢或电子进入呼吸链的部位（正向传递产生ATP，逆向则消耗ATP)与异养微生物相比，化能自养微生物的能量代谢主要有3个特点：①无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或脱电子后，可直接进入呼吸链传递，这与异养微生物对葡萄糖等有机底物的氧化要经过多条途径逐级脱氢明显不同：②呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一组分直接进入呼吸链：③产能效率即P/O比一般要低于化能异养微生物。(二)光能营养微生物在自然界中，能进行光能营养的生物及其光合作用特点是「真核生物：藻类及其他绿色植物产氧原核生物：蓝细菌光能营养型生物真细菌：光合细菌（厌氨蘭）不产氧古生菌：嗜盐菌1.循环光台磷酸化一种存在于光合细菌中的原始光合作用机制，可在光能驱动下通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能反应。特点是：①电子传递途径属循环方式，即在光能驱动下，电子从菌绿素分子上逐出，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP：②产能（ATP)与产还原力[H分别进行：③还原力来自H2S等无机氢供体：④不产生氧。其具体反应途径见图5-6。菌绿素受日光照射后形成激发态，由它逐出的电子通过类似呼吸链的传递，即经7

7 机底物不仅可作为最初能源产生 ATP，而且其中有些底物(如 NH4 +、H2S 和 H2)还可作为无机氢供体。当这些无机氢在充分提供 ATP 能量的条件下，可通过逆呼吸链传递的方式形成还原 CO2 用的还原力[H]。图 5-4 化能自养微生物还原 CO2 时 ATP 和[H]的来源所有还原态无机物中，除了 H2 的氧化还原电位比 NAD+／NADH 对稍低些外，其余都明显高于它，因此，各种无机底物进行氧化时，都必须按其相应的氧化还原势的位置进入呼吸链(图 5-5)，由此必然造成化能自养微生物呼吸链只具有很低的氧化磷酸化效率(P/O 比)。图 5-5 无机底物脱氢后，氢或电子进入呼吸链的部位（正向传递产生 ATP，逆向则消耗 ATP）与异养微生物相比，化能自养微生物的能量代谢主要有 3 个特点：①无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或脱电子后，可直接进入呼吸链传递，这与异养微生物对葡萄糖等有机底物的氧化要经过多条途径逐级脱氢明显不同；②呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一组分直接进入呼吸链；③产能效率即 P/O 比一般要低于化能异养微生物。 (二)光能营养微生物在自然界中，能进行光能营养的生物及其光合作用特点是： 1．循环光台磷酸化一种存在于光合细菌中的原始光合作用机制，可在光能驱动下通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能反应。特点是：①电子传递途径属循环方式，即在光能驱动下，电子从菌绿素分子上逐出，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了 ATP；②产能(ATP) 与产还原力[H]分别进行；③还原力来自 H2S 等无机氢供体；④不产生氧。其具体反应途径见图 5-6。菌绿素受日光照射后形成激发态，由它逐出的电子通过类似呼吸链的传递，即经

脱镁菌绿素(Bph)、辅酶Q、细胞色素bc1、铁硫蛋白和细胞色素c2的循环式传递，重新被菌绿素接受，其间建立了质子动势和产生了1个ATP。此循环还有另一功能，即在供应ATP条件下，能使外源氢供体H2S、H2、有机物）逆电子流产还原力，并由此使光合磷酸化与固定CO2的Calvin循环相联接。-1.01eParo*0BphLeQ0.5(A),"7QSNAD(P)逆电子传递差(耗能)eNAD(P)H)Q库位电外源H2ADP+Pi0.0-CytbcATPCytc外源电子供体PgroC+0.5(H,s, $,O,,s, Fe等)多多红光或红外线图5-6光合细菌的不出产氧光合作用——循环式光合磷酸化反应具有循环光合磷酸化的生物，分类上被放在红螺菌目中。特点是进行不产氧光合作用即不能利用H2O作为还原CO2时的氢供体，而能利用还原态无机物(H2S，H)或有机物作还原CO2的氢供体。2.非循环光合磷酸化这是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。其特点为：①电子的传递途径属非循环式的：②在有氧条件下进行：③有PSI和PSⅡI2个光合系统，PSI含叶绿素a，反应中心的吸收光波为"Proo”，有利于红光吸收，PSII含叶绿素b，反应中心的吸收光波为P680”，有利于蓝光吸收：④反应中可同时产ATP（产自PSⅡI）、还原力[H](产自PSI)和O2(产自PSII)：还原力NADPH2中的[H来自H2O分子的光解产物H+和电子。非循环光合磷酸化的途径可见图5-7。从图5-7可知，在产氧光合作用中，由H20经光解产生的1/202可及时释放，而电子则须经SPII和PSI两个系统接力传递，其中具体的传递体有PSII[中的Ph（褐藻索)，Q(醒)、Cytbf、Pc(质体蓝素)，在Cytbf和Pc间产生1个ATP，在PSI系统中，电子经Fe-S(一种非血红素铁硫蛋白)和Fd(铁氧还蛋白)的传递，最终由NADP+接受，于是产生了可用于还原CO?的还原力——NADPH+H+。3.嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成嗜盐菌在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，从而在膜两侧建立一个质子动势，再由它来推动ATP酶合成ATP，此即光8

8 脱镁菌绿素(Bph)、辅酶 Q、细胞色素 bc1、铁硫蛋白和细胞色素 c2 的循环式传递，重新被菌绿素接受，其间建立了质子动势和产生了 1 个 ATP。此循环还有另一功能，即在供应 ATP 条件下，能使外源氢供体(H2S、H2、有机物)逆电子流产还原力，并由此使光合磷酸化与固定 CO2 的 Calvin 循环相联接。图 5-6 光合细菌的不出产氧光合作用——循环式光合磷酸化反应具有循环光合磷酸化的生物，分类上被放在红螺菌目中。特点是进行不产氧光合作用，即不能利用 H2O 作为还原 CO2 时的氢供体，而能利用还原态无机物(H2S，H2)或有机物作还原 CO2 的氢供体。 2．非循环光合磷酸化这是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生 ATP 的磷酸化反应。其特点为：①电子的传递途径属非循环式的；②在有氧条件下进行；③有 PSI 和 PSⅡ 2 个光合系统，PSI 含叶绿素 a，反应中心的吸收光波为“P700”，有利于红光吸收，PSⅡ含叶绿素 b，反应中心的吸收光波为”P680”，有利于蓝光吸收；④反应中可同时产 ATP(产自 PSⅡ)、还原力 [H](产自 PSI)和 O2(产自 PSⅡ)；⑤还原力 NADPH2 中的[H]来自 H2O 分子的光解产物 H+和电子。非循环光合磷酸化的途径可见图 5-7。从图 5-7 可知，在产氧光合作用中，由 H2O 经光解产生的 1/2O2 可及时释放，而电子则须经 SPⅡ和 PSI 两个系统接力传递，其中具体的传递体有 PSⅡ[中的 Ph (褐藻索)，Q(醌)、 Cyt bf、Pc(质体蓝素)，在 Cyt bf 和 Pc 间产生 1 个 ATP，在 PSI 系统中，电子经 Fe-S(一种非血红素铁硫蛋白)和 Fd(铁氧还蛋白)的传递，最终由 NADP+接受，于是产生了可用于还原 CO2 的还原力——NADPH+H+。 3．嗜盐菌紫膜的光介导 ATP 合成嗜盐菌在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，从而在膜两侧建立一个质子动势，再由它来推动 ATP 酶合成 ATP，此即光

0分解代谢最初能源有机能源CO2+分解代：谢产物?[H] ATP中间代谢物理小分子生长繁殖细胞组分营养物合成代谢+合成代谢产物图5-8分解代谢与合成代谢的功能及其相互关系一、两用代谢途径凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径，称为两用代谢途径。EMP、HMP和TCA循环等都是重要的两用代谢途径。如，葡萄糖通过EMP途径可分解为2个丙酮酸，反之，2个丙酮酸也可通过EMP途径的逆转而合成1个葡萄糖，此即葡糖异生作用。须指出；①在两用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转，即某一反应的逆反应并不总是由同样的酶进行催化的，如，在葡糖异生作用的合成代谢中，有两个酶与进行分解代谢时不同，即由果糖二磷酸酯酶(而不是磷酸果糖激酶)来催化果糖-1，6-二磷酸至果糖-6-磷酸的反应，以及由葡萄糖-6-磷酸酯酶（而不是已糖激酶）来催化葡萄糖一6一磷酸至葡萄糖的反应。②在分解代谢与合成代谢途径的相应代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。③在真核生物中，分解代谢和合成代谢一般在不同的分隔区域内分别进行，即分解代谢一般在线粒体、微粒体或溶酶体中进行，而合成代谢一般在细胞质中进行，从而有利于两者可同时有条不亲地运转。二、代谢物回补顺序微生物在正常情况下，为进行生长、繁殖的需要，必须从各分解代谢途径中抽取大量中间代谢物以满足其合成细胞基本物质一一糖类、氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸和维生素等的需要。这样一来，势必又造成了分解代谢不能正常运转并进而影响产能功能的严重后果。为解决这一矛盾，生物在其长期进化过程中就发展了一套完善的中间代谢物的回补顺序。所谓代谢物回补顺序，又称代谢物补偿途径或添补途径，是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。不同的微生物种类或同种微生物在不同的碳源下，有不同的代谢物回补顺序。与EMP途径和TCA循环有关的回补顺序约有10条，它们都围绕着回补EMP途径中的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和TCA循环中的草酰乙酸(OA)这两种关键性中间代谢物来进行的。乙醛酸循环又称乙醛酸支路，是TCA循环的一条回补途径，可使TCA循环不仅具有高效产能功能，而且还兼有可为许多重要生物合成反应提供有关中间代谢物的功能，例如，草酰乙酸可合成天冬氨酸，α-酮戊三酸可合成谷氨酸，琥珀酸可合成叶卧啉等。该循环中有两个关键酶一异柠檬酸裂合酶（ICL）和苹果酸合酶（MS)，它们可使丙酮酸和乙酸等化合物源源不断地合成4C二羧酸。乙醛酸循环的总反应为；2丙酮酸→琥珀酸+2CO2。在乙醛酸循环中，异柠檬酸可通过ICL分解为乙醛酸和琥珀酸，而乙醛酸又可通过MS的催化使之与乙酰-CoA一起形成苹果酸，于是异柠檬酸跳过了TCA循环中的3步，直接形10

10 图 5-8 分解代谢与合成代谢的功能及其相互关系一、两用代谢途径凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径，称为两用代谢途径。EMP、HMP 和 TCA 循环等都是重要的两用代谢途径。如，葡萄糖通过 EMP 途径可分解为 2 个丙酮酸，反之，2 个丙酮酸也可通过 EMP 途径的逆转而合成 1 个葡萄糖，此即葡糖异生作用。须指出； ①在两用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转，即某一反应的逆反应并不总是由同样的酶进行催化的，如，在葡糖异生作用的合成代谢中，有两个酶与进行分解代谢时不同，即由果糖二磷酸酯酶(而不是磷酸果糖激酶)来催化果糖-1，6-二磷酸至果糖-6-磷酸的反应，以及由葡萄糖-6-磷酸酯酶(而不是己糖激酶)来催化葡萄糖—6—磷酸至葡萄糖的反应。②在分解代谢与合成代谢途径的相应代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。③在真核生物中，分解代谢和合成代谢一般在不同的分隔区域内分别进行，即分解代谢一般在线粒体、微粒体或溶酶体中进行，而合成代谢一般在细胞质中进行，从而有利于两者可同时有条不亲地运转。二、代谢物回补顺序微生物在正常情况下，为进行生长、繁殖的需要，必须从各分解代谢途径中抽取大量中间代谢物以满足其合成细胞基本物质——糖类、氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸和维生素等的需要。这样一来，势必又造成了分解代谢不能正常运转并进而影响产能功能的严重后果。为解决这一矛盾，生物在其长期进化过程中就发展了一套完善的中间代谢物的回补顺序。所谓代谢物回补顺序，又称代谢物补偿途径或添补途径，是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。不同的微生物种类或同种微生物在不同的碳源下，有不同的代谢物回补顺序。与 EMP 途径和 TCA 循环有关的回补顺序约有 10 条，它们都围绕着回补 EMP 途径中的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和 TCA 循环中的草酰乙酸(OA)这两种关键性中间代谢物来进行的。乙醛酸循环又称乙醛酸支路，是 TCA 循环的一条回补途径，可使 TCA 循环不仅具有高效产能功能，而且还兼有可为许多重要生物合成反应提供有关中间代谢物的功能，例如，草酰乙酸可合成天冬氨酸，α-酮戊二酸可合成谷氨酸，琥珀酸可合成叶卟啉等。该循环中有两个关键酶——异柠檬酸裂合酶（ICL）和苹果酸合酶(MS)，它们可使丙酮酸和乙酸等化合物源源不断地合成 4C 二羧酸。乙醛酸循环的总反应为；2 丙酮酸→琥珀酸+ 2CO2。在乙醛酸循环中，异柠檬酸可通过 ICL 分解为乙醛酸和琥珀酸，而乙醛酸又可通过 MS 的催化使之与乙酰-CoA 一起形成苹果酸，于是异柠檬酸跳过了 TCA 循环中的 3 步，直接形